EP0395480B1 - Procédé et dispositif d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires - Google Patents

Procédé et dispositif d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires Download PDF

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EP0395480B1
EP0395480B1 EP19900401084 EP90401084A EP0395480B1 EP 0395480 B1 EP0395480 B1 EP 0395480B1 EP 19900401084 EP19900401084 EP 19900401084 EP 90401084 A EP90401084 A EP 90401084A EP 0395480 B1 EP0395480 B1 EP 0395480B1
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Sylvain Baudas
Christian Delhote
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LE CENTRE THOMSON D'APPLICATIONS RADARS - LCTAR
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds

Definitions

  • the present invention relates to a high resolution spectral analysis method and device for non-stationary electromagnetic detection system signals where these signals undergo a first conventional sliding spectral analysis over a first analysis duration corresponding to the duration of validity of the evolution model chosen for said non-stationary signals.
  • electromagnetic detection system is meant throughout the description and the claims any system allowing the detection of a target by analysis, in particular in frequency, of the electromagnetic signals reflected or emitted by the target.
  • Such systems include radars as well as electromagnetic barriers in which a transmitter emits a wide beam to a receiver located at a distance, the targets being detected by the disturbances which they induce, by their passage in the beam, in the transmission between receiver and transmitter.
  • the performance of detection and counting of targets in multi-target situations depends on the quality of the spectral analysis. This is particularly true for electromagnetic barriers where the only detection criterion is obtained by spectral analysis.
  • One of the essential factors for obtaining good performance is then the power of frequency resolution.
  • high resolution spectral analysis methods have been developed and perfected for stationary radar signals. Indeed, the conventional methods using the Fourier transform are intrinsically limited in resolution by the inverse of the analysis time T of the signal. Under certain conditions of signal stationarity, we therefore proposed spectral analysis methods such as those based on an autoregressive modeling of the process studied.
  • the stationarity hypothesis leads in practice to a limitation of the analysis time and therefore to a limitation of the resolution due to the non-stationarity of the signal.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks by providing simple processing adapted to non-stationary signals.
  • Another object of the invention is a method and a device for high resolution spectral analysis consisting in making the signals substantially stationary before applying a conventional spectral analysis to them.
  • FIG 1 shows the diagram of the device according to the invention.
  • the electromagnetic detection system 1 supplies signals s (t) to a conventional spectral analysis device 2 with short analysis duration At.
  • a conventional spectral analysis device 2 With short analysis duration At.
  • By sliding analysis there are successive spectra over time which are represented on the diagram of Figure 2 where we find two patterns formed of five non-separated signals.
  • These successive spectra are sent to a multicible Doppler tracking system 3 which allows each track corresponding to a pattern to be analyzed separately.
  • a tracking system is described, for example, in French patent No. 80 25039.
  • a management unit 4 makes it possible to select one of the tracks and to control a device for estimating the parameters of the target (actually multi-target) which, at starting from the law of evolution of the Doppler frequency over time provided by the system 3, makes it possible to model this law of evolution and to calculate the corresponding parameters of the target.
  • the model used can be a simple but general model of linear frequency modulation of the type: where fi (t) is the instantaneous frequency of the signal, f i is an initial given value and ⁇ i is the modulation slope.
  • the device 5 estimates the values i and i , for example by the method of least squares.
  • the device 5 estimates the parameters by minimizing the expression: dt where f (t) is the law of evolution provided by the tracking system measured 3 between times t 1 and t 2 .
  • the synthetic signal is of the form: or, in the more general case, of the form: with: of
  • this synthetic signal thus calculated, it is then possible to stationaryize the signal s (t) received by demodulation by s' (t), that is to say by simple multiplication.
  • the signal s (t) received is stored in a memory 7 and it is restored at the same time as the synthetic signal s' (t) to a multiplier or mixer 8.
  • This therefore provides a stationary signal s "( t) which is sent to a conventional spectral analysis device 9 (for example by Fourier transform) which can carry out the analysis over a long analysis time T, therefore with a high resolution in frequency.
  • the spectral analysis are sent to a threshold device 10 which allows the enumeration of the targets constituting the analyzed (multi-target) pattern, this enumeration and the display of the result are carried out by a circuit 11.
  • FIG. 3 shows the spectrum of a pattern provided by the analysis device 2: the targets constituting the pattern cannot be separated.
  • the spectrum provided by the spectral analysis device 9 is represented for the same pattern in FIG. 4. We clearly see the peaks corresponding to the five targets constituting the pattern, which allows with the threshold device 10 to properly count these targets.
  • the method according to the invention allows a significant improvement in frequency resolution for processing non-stationary signals and it appears to be well suited to the constraints of real-time processing of the radar signal in particular.
  • the high resolution device provided according to the invention is quite simple and robust.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires où ces signaux subissent une première analyse spectrale glissante classique sur une première durée d'analyse correspondant à la durée de validité du modèle d'évolution choisi pour lesdits signaux non stationnaires.
  • Par "système de détection électromagnétique", on entendra dans toute la description et les revendications tout système permettant la détection d'une cible par analyse, en particulier en fréquence, des signaux électromagnétiques réfléchis ou émis par la cible. De tels systèmes comprennent notamment les radars ainsi que les barrières électromagnétiques dans lesquelles un émetteur émet un faisceau large vers un récepteur situé à distance, les cibles étant détectées par les perturbations qu'elles induisent, par leur passage dans le faisceau, dans la transmission entre récepteur et émetteur.
  • Dans le traitement de certains signaux issus de tels systèmes de détection électromagnétique, les performances de détection et de dénombrement de cibles en situation multicibles dépendent de la qualité de l'analyse spectrale. Ceci est particulièrement vrai pour les barrières électromagnétiques où le seul critère de détection est obtenu par analyse spectrale. Un des facteurs essentiels pour l'obtention de bonnes performances est alors le pouvoir de résolution fréquentielle. Depuis un certain nombre d'années, on a mis au point et perfectionné des méthodes d'analyse spectrale à haute résolution pour des signaux radars stationnaires. En effet, les méthodes classiques utilisant la transformée de Fourier sont intrinsèquement limitées en résolution par l'inverse du temps d'analyse T du signal. Dans certaines conditions de stationnarité des signaux, on a donc proposé des méthodes d'analyse spectrale telles que celles basées sur une modélisation autorégressive du processus étudié. Cependant l'hypothèse de stationnarité conduit dans la pratique à une limitation du temps d'analyse et donc à une limitation de la résolution due aux non-stationnarités du signal.
  • L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en prévoyant un traitement simple adapté aux signaux non stationnaires.
  • Un autre objet de l'invention est un procédé et un dispositif d'analyse spectrale à haute résolution consistant à rendre les signaux sensiblement stationnaires avant de leur appliquer une analyse spectrale classique.
  • Selon l'invention, il est donc prévu un procédé d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires, dans lequel on réalise une première analyse spectrale glissante de type connu desdits signaux sur une première durée d'analyse correspondant à la durée de validité du modèle d'évolution choisi pour lesdits signaux non stationnaires, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à :
    • - effectuer un pistage Doppler, en fonction du temps, de la fréquence instantanée obtenue par ladite première analyse ;
    • - estimer pour une piste choisie les paramètres de la loi d'évolution de la fréquence Doppler retenue ;
    • - déterminer à partir desdits paramètres un signal synthétique de fréquence instantanée opposée à la fréquence instantanée estimée théorique correspondant auxdits paramètres ;
    • - stationnariser lesdits signaux fournis par ledit système par démodulation à l'aide dudit signal synthétique ;
    • - effectuer une seconde analyse spectrale de type connu dudit signal stationnarisé, sur une durée d'analyse longue par rapport à la première durée d'analyse pour obtenir une résolution améliorée ; et
    • - effectuer un dénombrement des cibles dans le signal analysé selon ladite seconde analyse par comparaison à un seuil déterminé.
  • Selon un autre aspect de l'invention il est également prévu un dispositif d'analyse spectrale à haute définition mettant en oeuvre le procédé ci-dessus.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où :
    • - la figure 1 est un schéma par blocs du dispositif d'analyse spectrale selon l'invention ;
    • - la figure 2 est un diagramme temps-fréquence de deux motifs correspondant à des signaux non séparés par transformée de Fourier classique ;
    • - la figure 3 représente le spectre d'un des motifs à signaux non séparés ; et
    • - la figure 4 représente le spectre d'un des motifs après traitement selon l'invention.
  • Comme on l'a déjà expliqué ci-dessus, lorsque les signaux fournis par un système de détection électromagnétique sont fortement non stationnaires, c'est-à-dire que la fréquence Doppler évolue rapidement au cours du temps, la résolution en fréquence des procédés d'analyse spectrale classiques est 1/ t dans le cas de la transformée de Fourier. Or t, durée d'analyse, est limitée par le temps pendant lequel l'hypothèse faite sur la trajectoire de la cible est vraie. t étant fortement limitée du fait de la non-stationnarité du signal, la résolution est également fortement limitée.
  • Pour simplifier et préciser l'explication, on va supposer, sans que cela soit en rien limitatif de l'invention, que l'on est en présence de deux cibles multiples comprenant chacune cinq cibles proches se déplaçant ensemble. Si l'on suppose aussi que la fréquence Doppler des deux groupes de cibles évolue rapidement, l'analyse spectrale classique, par exemple par transformée de Fourier ne permet pas de séparer les cibles composant chacune des deux cibles multiples.
  • La figure 1 représente le schéma du dispositif selon l'invention. Le système de détection électromagnétique 1 fournit des signaux s(t) à un dispositif d'analyse spectrale classique 2 à durée d'analyse courte At. Par analyse glissante, on dispose de spectres successifs au cours du temps qui sont représentés sur le diagramme de la figure 2 où on retrouve deux motifs formés des cinq signaux non séparés. Ces spectres successifs sont envoyés à un système de pistage Doppler multicible 3 qui permet d'analyser séparément chaque piste correspondant à un motif. Untel système de pistage est décrit par exemple dans le brevet français N° 80 25039. Une unité de gestion 4 permet de sélectionner une des pistes et de commander un dispositif d'estimation des paramètres de la cible (multicible en fait) choisie qui, à partir de la loi d'évolution de la fréquence Doppler au cours du temps fournie par le système 3, permet de modéliser cette loi d'évolution et de calculer les paramètres correspondants de la cible.
  • Le modèle utilisé peut être un modèle simple mais général de modulation linéaire de fréquence du type :
    Figure imgb0001
    où fi(t) est la fréquence instantanée du signal, fi est une valeur donnée initiale et αi est la pente de modulation. Dans les zones où le modèle linéaire est valide, le dispositif 5 estime les valeurs i et i, par exemple par la méthode des moindres carrés. On peutaus- si prendre un modèle plus complet et spécifique du système de détection considéré : dans le cas d'une barrière électromagnétique par exemple, la loi d'évolution de la fréquence Doppler peut s'exprimer sim- plementen fonction de paramètres de la cible tels que vitesse de la cible, angle de la trajectoire par rapport à la ligne joignant émetteur et récepteur, position du point de coupure de cette ligne par la trajectoire, altitude de la cible ou distance de l'origine de la trajectoire audit point de coupure. Quel que soit le modèle choisi, si on appelle 0 les paramètres à déterminer etfth (t, ) la loi d'évolution théorique (modèle) de la fréquence Doppler, le dispositif 5 estime les paramètres en minimisant l'expression :
    Figure imgb0002
    dt où f(t) est la loi d'évolution fournie par le système de pistage mesurée 3 entre les instants t1 et t2.
  • Ces paramètres 9 sont envoyés à un système 6 de restitution d'un signal synthétique qui calcule un signal s'(t) de fréquence instantanée opposée à la fréquence théorique du modèle estimé. Par exemple dans le cas du modèle simple, le signal synthétique est de la forme :
    Figure imgb0003
    ou, dans le cas plus général, de la forme :
    Figure imgb0004
    avec :
    Figure imgb0005
    du
  • Grâce à ce signal synthétique ainsi calculé, on peut alors stationnariser le signal s(t) reçu par démodulation par s'(t), c'est-à-dire par simple multiplication. Pour cela, on stocke le signal s(t) reçu dans une mémoire 7 et on le restitue en même temps que le signal synthétique s'(t) à un multiplicateur ou mélangeur 8. Celui-ci fournit donc un signal stationnarisé s"(t) qui est envoyé à un dispositif d'analyse spectrale classique 9 (par exemple par transformée de Fourier) qui peut effectuer l'analyse sur une durée d'analyse T longue, donc avec une haute résolution en fréquence. Les signaux de sortie de l'analyse spectrale sont envoyés à un dispositif à seuil 10 qui permet le dénombrement des cibles constitutives du motif (multicible) analysé. Ce dénombrement et l'affichage du résultat sont effectués par un circuit 11.
  • A titre d'exemple illustratif, la figure 3 montre le spectre d'un motif fourni par le dispositif d'analyse 2 : on ne peut pas séparer les cibles constituant le motif. Après traitement selon l'invention, le spectre fourni par le dispositif d'analyse spectrale 9 est représenté pour le même motif sur la figure 4. On voit distinctement les pics correspondant aux cinq cibles constituant le motif, ce qui permet avec le dispositif à seuil 10 de bien dénombrer ces cibles.
  • Ainsi, le procédé selon l'invention permet une amélioration sensible de la résolution en fréquence pour le traitement de signaux non stationnaires et il apparaît bien adapté aux contraintes de traitement en temps réel du signal radar notamment. Le dispositif à haute résolution prévu selon l'invention est tout à fait simple et robuste.
  • Bien entendu, l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention.

Claims (5)

1. Procédé d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires, dans lequel on réalise une première analyse spectrale glissante de type connu desdits signaux sur une première durée d'analyse (At) correspondant à la durée de validité du modèle d'évolution choisi pour lesdits signaux non stationnaires, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à :
- effectuer un pistage Doppler, en fonction du temps, de la fréquence instantanée obtenue par ladite première analyse ;
- estimer pour une piste choisie les paramètres (θ) de la loi d'évolution de la fréquence Doppler retenue ;
- déterminer à partir desdits paramètres un signal synthétique de fréquence instantanée opposée à la fréquence instantanée estimée théorique correspondant auxdits paramètres ;
- stationnariser lesdits signaux fournis par ledit système par démodulation à l'aide dudit signal synthétique ;
- effectuer une seconde analyse spectrale de type connu dudit signal stationnarisé, sur une durée d'analyse (T) longue par rapport à la première durée d'analyse pour obtenir une résolution améliorée ; et
- effectuer un dénombrement des cibles dans le signal analysé selon ladite seconde analyse par comparaison à un seuil déterminé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans les étapes consistant à estimer les paramètres et à déterminer un signal synthétique, la loi d'évolution de la fréquence Dopplerest une loi de modulation linéaire de fréquence de la forme fi(t) = fi + α.t pour la piste de rang i, où fi est une valeur initiale de fréquence et αi la pente de modulation, ces deux valeurs fi et αi étant estimées à partir desdits paramètres (8 ).
3. Dispositif d'analyse spectrale à haute résolution pour signaux de système de détection électromagnétique non stationnaires, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant
- un premier dispositif d'analyse spectrale (2) glissante à durée d'analyse (At) courte recevant lesdits signaux non stationnaires ;
caractérisé en ce qu'il comprend :
- un système de pistage Doppler (3) multicibles recevant les signaux dudit premier dispositif (2) et fournissant au moins une courbe de variation fréquence instantanée- temps correspondant à une piste vraisemblable;
- un dispositif (5) d'estimation des paramètres (8 ) d'une cible correspondant à ladite courbe ;
- une unité de gestion (4) pour sélectionner une des pistes fournies par ledit système de pistage (3) et commander ledit dispositif d'estimation (5) ;
- des moyens (6) de restitution d'un signal synthétique de ladite fréquence instantanée opposée à partir desdits paramètres ;
- des moyens de mémorisation (7) pour stocker lesdits signaux non stationnaires fournis par le système de détection (1) ;
- des moyens (8) de démodulation desdits signaux stockés dans lesdits moyens de mémorisation (7) par ledit signal synthétique pour obtenir un signal stationnarisé ;
- un second dispositif d'analyse spectrale (9) à durée d'analyse longue par rapport à la première durée d'analyse pour analyser ledit signal stationnarisé ; et
- des moyens de comparaison à seuil (10) pour extraire des signaux fournis par ledit second dispositif (9) des informations sur le nombre de cibles ayant contribué à fournir les signaux correspondant à ladite piste sélectionnée.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits premier et second dispositifs d'analyse spectrale (2, 9) comprennent chacun un calculateur de transformée de Fourier.
5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de démodulation (8) comprennent un multiplicateur de signaux.
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